翟明嶺，　張　旭，　程　飛，　趙浩亮，　蘇　醒

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

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生物質(zhì)發(fā)電中農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本敏感性分析

翟明嶺，張旭，程飛，趙浩亮，蘇醒

(同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 200092)

摘要：針對生物質(zhì)發(fā)電中秸稈收集困難的問題，對秸稈供應(yīng)構(gòu)建4種模式：人工收集主動運送模式、機械收集主動運送模式、人工收集等待收購模式和機械收集等待收購模式，建立農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本模型，計算不同模式的成本，并對不同的重要因素進(jìn)行單因素敏感性分析.結(jié)果表明：人工收集模式比機械收集模式成本低，但受人力工資影響大，當(dāng)人力工資≥18元/h時，人工收集主動運送模式成本最高；當(dāng)土地面積>0.667 hm2時所有模式的成本穩(wěn)定，變化不大；運輸距離對人工收集模式成本的影響大于機械收集模式，留茬高度越低影響越大；作物產(chǎn)量水平越高，越適合機械收集模式.

關(guān)鍵詞：秸稈； 生物質(zhì)發(fā)電； 供應(yīng)成本； 成本模型； 敏感性分析

中國秸稈資源豐富，可利用量達(dá)6～8億t[1-2]，但常被農(nóng)民直接焚燒造成面源污染[3]，成為一大環(huán)境難題.因此，我國大力發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電項目以期解決該問題，但卻面臨秸稈原料收購困難的新問題[4-5].現(xiàn)有的研究[6-14]主要從電廠角度出發(fā)，在電廠秸稈需求量下進(jìn)行一個地區(qū)內(nèi)秸稈收儲運的研究，如邢愛華等[7]根據(jù)秸稈資源島式分布的特征對電廠秸稈收集過程的能耗、成本、排放等進(jìn)行計算；劉華財?shù)萚8]對不同收儲運模式進(jìn)行成本比較；徐亞云等[9]則對不同秸稈收儲運模式成本、能耗、人工和設(shè)備投入等進(jìn)行比較；于曉東等[10]對秸稈收購過程進(jìn)行模擬.上述研究僅基于電廠角度，未反映秸稈初始擁有者(農(nóng)戶)的供應(yīng)成本，而我國大部分地區(qū)的耕作模式是以戶為單位的，因此應(yīng)增加從農(nóng)戶角度的秸稈供應(yīng)成本研究.農(nóng)戶供應(yīng)成本大小決定秸稈供應(yīng)的穩(wěn)定性，需將農(nóng)戶的秸稈供應(yīng)成本作為一個獨立問題來進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行收儲運問題研究，才更具準(zhǔn)確性和合理性.筆者建立了4種農(nóng)戶秸稈供應(yīng)模式來計算成本構(gòu)成，對重要的幾種影響因素進(jìn)行敏感性分析，研究結(jié)果將對利用經(jīng)濟手段減少農(nóng)戶就地焚燒秸稈，提高供應(yīng)生物質(zhì)電廠的積極性有一定指導(dǎo)意義.

1農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本模型

為方便討論，文中進(jìn)行如下假設(shè)：(1) 該地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量密度無差別；(2) 不考慮天氣、地形等因素的影響；(3) 農(nóng)戶秸稈全部出售；(4) 秸稈供應(yīng)模式.收集并主動運送模式和收集等待收購模式，每種又細(xì)化為A(人工收集主動運送模式)、B(機械收集主動運送模式)、C(人工收集等待收購模式)和D(機械收集等待收購模式)4種(見圖1).農(nóng)戶對收購商身份不作考慮.

圖1　農(nóng)戶秸稈供應(yīng)模式

農(nóng)戶秸稈供應(yīng)成本計算公式為

(1)

式中：Δch為收割成本增加量，元/t；cc為收集成本，元/t；ct為運輸成本，元/t；cs為儲存成本，元/t，其中農(nóng)戶的人工工作時間計算以h為單位.

1.1秸稈收割成本增加量

秸稈資源總量Q的計算式為

Q=αk1k2A

(2)

式中：α為作物產(chǎn)量密度，t/hm2；k1為草谷比；k2為可收集系數(shù)；A為土地面積，hm2.

農(nóng)作物的收割留茬高度在市場上存在3種標(biāo)準(zhǔn)，降低留茬高度可提高秸稈產(chǎn)量，但帶來了收割成本(柴油消耗量、人工等)的增加，以30 cm為基準(zhǔn)計算不同留茬高度下收割成本的增加量.秸稈收割相關(guān)參數(shù)見表1.

設(shè)30 cm留茬高度時Δch=0，改變留茬高度，則會帶來收割柴油消耗量和收割耗時的增加，因此而帶來的成本增量為

(3)

式中：Δqh為柴油消耗增加量，L；pd為柴油價格，元/L；Δth為收割耗時增量，h；pp為人力工資，元/h.

表1　不同留茬高度的相關(guān)參數(shù)[15-16]

1.2秸稈收集成本

采取人工收集時效率為每小時Qcp；采取機械收集時農(nóng)戶租賃秸稈打捆機，效率為每小時Qcm，打捆機收費為750元/hm2，秸稈包尺寸為1.75 m×1.15 m×0.9 m.則人工收集成本ccp和機械收集成本ccm分別為

(4)

(5)

其中C、D模式下農(nóng)戶將秸稈堆垛儲存，增加10%的堆垛成本.

1.3秸稈運輸成本

農(nóng)戶使用自有拖拉機掛車(僅1輛)運送秸稈，完成所有秸稈運送所需次數(shù)為Nt=INT(Q/mt)+1，其中INT為求整函數(shù).本文計算所采取的拖拉機掛車參數(shù)見表2.單次運輸空載和滿載的運程比為1∶1，拖拉機單位載重公里的運輸柴油消耗量qud為

(6)

式中：ge為滿載耗油率，kg/(kW·h)；geo為空載耗油率，kg/(kW·h)；v1為滿載車速，km/h；vo為空載車速，km/h；Nen/mt為功載比，kW/t，其中Nen為額定功率，kW，mt為額定載重量，t.

表2　農(nóng)用拖拉機掛車參數(shù)[8-9,17]

注：1)表中載重量2個數(shù)值分別對應(yīng)秸稈狀態(tài)為散桿和秸稈包時的拖拉機載重量.

秸稈運送至收儲站，還需花費質(zhì)檢、稱重等其他必需時間，取0.5 h.

運輸成本為

(7)

式中：β為道路曲折因子，取1.4；lt為運輸距離，km；cdep為車輛折舊成本，為直線折舊、殘值5%、年限10年、一年365天平攤，元；cm為車輛維護成本，為車輛價格的5%、一年365天平攤，元.

1.4儲存成本

C、D模式下農(nóng)戶需儲存秸稈，將秸稈臨時存放在田間地頭，不另建存儲場地.為確保秸稈不因下雨等原因?qū)е沦|(zhì)量受損，農(nóng)戶需購買防水帆布，面積等于堆垛表面積，折舊10年，殘值為0.堆垛高度為3 m，假設(shè)堆垛形狀為方形，則帆布面積為

(8)

儲存成本為

cs=pcAc/10Q

(9)

式中：pc為帆布價格，元/m2；Ac為帆布面積，m2.

2成本計算結(jié)果

2.1計算參數(shù)設(shè)置

選取江蘇省某縣為例進(jìn)行分析,該縣位于江蘇省東南部，是小麥、水稻和油菜等的主產(chǎn)區(qū).以該地區(qū)的小麥秸稈為對象分析供應(yīng)成本，相應(yīng)參數(shù)見表3和表4.根據(jù)筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，直接運送秸稈至電廠的距離為3 km以內(nèi)，因此以3 km為基準(zhǔn)計算相應(yīng)成本并分析距離對成本的影響.

表3　小麥秸稈參數(shù)[16-17]

表4　其他相關(guān)參數(shù)

2.2計算結(jié)果

各模式下的秸桿供應(yīng)成本見圖2，其中A～D對應(yīng)圖1的供應(yīng)模式，1～3對應(yīng)秸稈收割留茬高度分別為30 cm、20 cm和10 cm.從圖2可以看出，模式A1成本最低，模式C1與之相近，而模式B1的成本最高，其次為D1.因此相同留茬高度下機械收集模式成本要高于人工收集模式，這是因為前者雖提高了收集效率，但租費較高導(dǎo)致成本較高.隨著留茬高度的降低，不同模式的成本變化不同，人工收集模式下成本增加，而機械收集模式下成本則降低，這是因為人工收集模式下，隨著留茬高度的降低人工成本增加，而打捆機租費不變，秸稈量的增加可降低總成本.相同收集模式下，運輸與儲存成本相差不大，若農(nóng)戶不選擇儲存措施則會降低成本19.4～32.4元/t，但無法保證秸稈質(zhì)量穩(wěn)定.

從圖2還可以看出不同環(huán)節(jié)的成本在總成本中的比例.在成本構(gòu)成中收集成本(包括人工成本和機械成本)占最大比例，無論人工收集成本或機械收集成本，若能找到有效降低收集成本的技術(shù)方法則可促進(jìn)秸稈供應(yīng).其次是運輸成本，其中的人工成本在人工收集時要高于機械收集時(運輸油耗折舊等費用不變).儲存成本所占比例較大，這是因為假設(shè)防雨帆布為秸稈儲存專用.

圖2　不同模式下秸稈供應(yīng)成本的比較

3敏感性分析

以模式A1為例進(jìn)行單因素敏感性分析.圖3給出了人力工資、土地面積、燃料價格及運輸距離對模式A1成本的影響.從圖3可以看出，影響作用依次為人力工資、土地面積、運輸距離和燃料價格，其中土地面積為負(fù)向作用，其余為正向.土地面積變化時成本出現(xiàn)波動，這是因為秸稈量的增減導(dǎo)致運輸次數(shù)改變，從而導(dǎo)致人工成本的波動.人工收集模式下柴油消耗量較少，因此其對A1成本的影響最小.這4個因素對模式A2和模式A3的影響相似，而對其他模式的影響則不盡相同，具體在下文進(jìn)行分析.

圖3　A1模式下成本敏感性分析

首先考察人力工資對秸稈供應(yīng)成本的影響(見圖4).從圖4可以看出，影響作用大小依次為模式A>模式C>模式B>模式D，這是由于耗費人工的環(huán)節(jié)依次降低.當(dāng)人力工資增加2元/h，4種模式的成本增幅依次為28.4～31.2元/t、27.5～28.4元/t、4.1～4.2元/t、0.9～1.8元/t.以留茬高度30 cm為例，對比A、B、C、D 4種模式，當(dāng)人力工資pp≤12元/h時模式A成本最低，pp≥18元/h時模式A成本最高，而當(dāng)pp≤10元/h時主動運送更具成本優(yōu)勢，而當(dāng)pp≥12元/h時儲存秸稈更具成本優(yōu)勢.

圖4　不同模式下供應(yīng)成本與人力工資的關(guān)系

圖5給出了不同模式下供應(yīng)成本與土地面積的關(guān)系.由圖5可知，隨著土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，原因是隨著秸稈產(chǎn)量的增加，設(shè)備利用率提高.如主動運送時，秸稈量增加，單位秸稈量的車輛折舊維護費隨之減少.模式A、模式B下，成本先隨土地面積的增加而降低，當(dāng)土地面積A≥0.667 hm2(10畝)時，成本較穩(wěn)定,變化不大，這是因為所設(shè)定生產(chǎn)條件中未考慮規(guī)模效應(yīng)，固定成本只有拖拉機折舊維護成本.模式B較模式A成本波動小，因為秸稈被壓縮后，拖拉機載重量增加，增加同樣的秸稈量所帶來的人工成本增幅較小.而由于散桿堆垛比表面積隨質(zhì)量增加而減小，秸稈壓縮后形狀規(guī)則，質(zhì)量對比表面積的影響不顯著，因此模式D較模式C成本變化小.

運輸距離對模式A和模式B成本的影響見圖6.由圖6可知，模式A成本的變化區(qū)間為模式A1(190.7～323.6元/t)、模式A2(209.1～426.4元/t)、模式A3(211.6～402.5元/t)，模式B成本的變化區(qū)間為模式B1(261.0～393.9元/t)、模式B2(234.9～352.9元/t)、模式B3(211.6～318.2元/t).運輸距離對模式A的影響大于模式B，這是因為人工收集時的單車運輸量少于機械收集時的單車運輸量，運送次數(shù)多，距離越遠(yuǎn)，運輸時間越長，運輸人工成本的差別會越大.模式A2和模式A3的斜率大于模式A1，這是因為模式A2和模式A3的運送次數(shù)恰比模式A1增加1次，同時當(dāng)達(dá)到34 km時運輸工作增加一天導(dǎo)致成本有一個突增.從圖6還可以看出，在1～40 km內(nèi)模式A1成本低于模式B1，運輸距離lt≥15 km時模式A2成本高于模式B2，模式B3較模式A3始終具備成本優(yōu)勢.因此運輸距離越遠(yuǎn)，模式B成本優(yōu)勢越大.

最后考察作物產(chǎn)量水平對成本的影響，結(jié)果見圖7.考慮4.918 t/hm2、5.8 t/hm2、6.6 t/hm2、7.4 t/hm2、8.2 t/hm2和8.6 t/hm26個產(chǎn)量水平下的成本，秸稈收集系數(shù)依次為1.16、1.08、1.03、1.03、1.02和0.96.從圖7可以看出，產(chǎn)量水平對機械收集模式影響較大，作物產(chǎn)量水平越高，越適合機械收集模式.

(a)

(b)

(c)

(d)

圖6　主動運輸成本與運輸距離的關(guān)系

4結(jié)論

(1) 不同模式下的成本計算結(jié)果顯示，機械收集模式高于人工收集模式，降低留茬高度有利于降低機械收集模式的成本，農(nóng)戶若不儲存秸稈則降低成本19.4～32.4元/t，但無法保證質(zhì)量.

圖7　不同模式下供應(yīng)成本與產(chǎn)量水平的關(guān)系

(2) 同一留茬高度下，人力工資pp≤12元/h時模式A成本最低，pp≥18元/h時模式A成本最高；pp≤10元/h時主動運送較儲存成本低，當(dāng)pp≥12元/h時儲存秸桿更具成本優(yōu)勢.

(3) 隨土地面積的增加，4種模式的成本皆下降，主動運輸成本變化幅度大于儲存成本，當(dāng)土地面積≥0.667 hm2(10畝)時各種模式的成本穩(wěn)定，在本文設(shè)定條件下，土地面積的繼續(xù)增加對成本作用輕微，因為未考慮規(guī)模效應(yīng).

(4) 運輸距離對人工收集模式的影響大于機械收集模式.運輸范圍1～40 km內(nèi)，模式A1成本始終低于模式B1，當(dāng)運輸距離≥15 km時模式A2成本高于模式B2，模式B3成本始終低于模式A3.當(dāng)運輸距離>34 km時，模式A2和模式A3運輸工作時間增加一天，導(dǎo)致成本有一個突增.

(5) 本文目的是分析目前中國農(nóng)業(yè)分散現(xiàn)狀下的成本.農(nóng)戶的投入除拖拉機之外按照市場價格進(jìn)行設(shè)置，因此未考慮機械收集模式的規(guī)模效應(yīng)，后續(xù)研究工作需要結(jié)合不同耕地面積規(guī)模和機械收集模式的規(guī)模效應(yīng)進(jìn)行分析.

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Sensitivity Analysis on Supply Cost of Farmer Straw for Power Generation

ZHAIMingling,ZHANGXu,CHENGFei,ZHAOHaoliang,SUXing

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In the collection process of farmer straw for power generation, there are in total following four supply modes: manpower collection + active delivery, machinery collection + active delivery, manpower collection + waiting for delivery, and machinery collection + waiting for delivery. Corresponding models were established for cost calculation of farmer straw in above supply modes, while single factor analysis was conducted for different key sensitive factors. Results show that the mode of manpower collection has lower cost than machinery collection, which however is greatly affected by the labor price, and when the labor price is more than 18 CNY/h, the mode of manpower collection + active delivery costs the maximum. When the arable area is larger than 0.667 hm2, the cost of all supply modes would basically keep constant. The mode of manpower collection is more affected by conveying distance than machinery collection, the shorter the stubble is, the higher the influence will be. Machinery collection is found to be the most suitable mode for the condition of high crop yields.

Key words：straw; biomass-fired power generation; supply cost; cost model; sensitivity analysis

收稿日期：2015-09-09

修訂日期：2015-10-21

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAJ08B09，2011BAJ08B10)

作者簡介：翟明嶺(1987-)，男，山東菏澤人，博士研究生，主要從事生物質(zhì)發(fā)電秸稈供應(yīng)方面的研究.

文章編號：1674-7607(2016)07-0569-06中圖分類號：TK6； X712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：480.60

張旭(通信作者)，男，教授，博導(dǎo)，電話(Tel.)：13311831229;E-mail：zhangxu-hvac@#edu.cn.